[纤维知识]高性能纤维

　　2.5、国内实际产量严重不足，高端碳纤维依赖进口

　　国产碳纤维以低端产品为主。我国碳纤维原丝产能约12080吨，碳纤维产能7081吨，产品以小丝束等低档产品为主，T300级碳纤维初步实现了国产化。

　　国内碳纤维产能虽基本满足自给，但实际产量远小于产能，不足2000吨。仅从产能方面考察，国内碳纤维生产基本可满足需求。但由于国内碳纤维产品多数为低端产品，难以满足下游的性能需求。且国内多数厂商生产不稳定，实际产量远小于产能。2010年国内碳纤维实际产量不足2000吨，自给率不足30%，因此国内碳纤维需求缺口仍然很大。

　　国内新增碳纤维产能将出现爆发式增长。经历过2008年金融危机，2009-2010年我国碳纤维消费量开始攀升，预计在2012年前后进入增长期。目前我国有许多碳纤维项目开始启动，预计到2015年我国将新增碳纤维原丝产能44000吨，原丝碳化产能21400吨。

　　尽快加快国内碳纤维尤其是高端碳纤维的自主研发和产业化进程，具备重大战略意义。受供求关系和发达国家对我国实行碳纤维技术及产品双重封锁的影响，我国碳纤维市场一直处于受制于人的状态，甚至某些碳纤维复合材料高端用户面临没有原料可以进行加工的尴尬境地。此外，由于大型航空飞机制造和清洁能源等产业的拉动，世界范围的碳纤维需求量将持续增加，国际碳纤维供需关系短期之内不会大幅回落。因此，作为重大战略材料，我国需建设立足国内的碳纤维自主保障能力，以确保高端用户的需要。

　　2.6、制约我国碳纤维产业的瓶颈：原丝工艺和碳化设备

　　制约我国碳纤维发展的主要因素有两个方面，其一是碳纤维原丝质量问题。国产原丝在纯度、强度以及均质化方面与国外相比存在较大差距，大大制约了国产碳纤维的产品质量。碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，生产壁垒高，是多学科、多技术的集成，其中碳纤维原丝的生产技术更是难中之难。

　　碳纤维原丝的生产难度主要表现在碳纤维原丝的喷丝工艺、丙烯腈聚合工艺、丙烯腈与溶剂及引发剂的配比等。由于PAN-原丝对碳纤维质量影响巨大，占碳纤维成本比例达到50%以上。PAN基碳纤维制造的第一步是用丙烯睛(AN)单体制造PAN原丝，类似于纺织用的PAN纤维的生产。在原丝制备工艺中，需要考虑影响原丝质量的因素，比如聚合物的分子量、聚合组分、纺丝拉伸方法等等。第二步是原丝的预氧化和碳化，预氧化处理的目的是使PAN的线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态。碳化过程是碳纤维形成的主要阶段，除去了纤维中大量的氧、氮和其他元素，再经表面处理、干燥上浆得到金属光泽的PAN基碳纤维产品。

　　目前，世界碳纤维的技术格局是：日本垄断关键技术，美国的碳纤维技术处于成长阶段，国内则处于起步阶段。世界碳纤维技术主要掌握在日本东丽公司、东邦公司和三菱人造丝公司手中，这3家企业技术严格保密。而美国赫克塞尔(Hexcel)、阿莫科(Amoco)和卓尔泰克(Zoltek)等其他碳纤维企业均处于成长阶段，生产工艺还处于不断完善阶段。国内的碳纤维企业更是处于如何提高原丝生产工艺水平的瓶颈上。

　　碳纤维技术的发展方向是在降低成本的基础上提高性能。近年来，国外对碳纤维技术开发研究集中在提高性能、降低成本方面。日本东丽公司根据先进复合材料市场发展的需求，已决定逐步淘汰T300类碳纤维，重点发展拉伸强度为4000-5000MPa、价格与T300基本相当的碳纤维品种，同时由于大丝束碳纤维性价比较高，也开始发展大丝束碳纤维。

　　制约我国碳纤维发展的瓶颈之二是耐高温材料及大型高温炉。国产碳化炉采用仅能允许在1400℃以下温度使用的碳化硅作为发热体，高温环境下碳化硅抗负荷强度低，不能制作大尺寸工业规模碳化炉，无法实现1500℃的最佳工艺。国外采用高纯石墨材料1800℃以上的高温碳化炉严格限制对我国的出口，中等规模的高温碳化炉进口价格高，导致国产碳纤维装臵的建设成本过高，无法与进口纤维竞争。

　　2.7、国内碳纤维研发步调加快，小有成果

　　我国碳纤维研究已经三十多年，T300通用级产业化已取得突破性进展，百吨级和千吨级碳纤维已投入生产；T700级正在进行中试放大，T800级正在实验室研制。目前国内有一两个单位的产品品质已超过T300级的性能指标，达到了T400级水平，并且可以小批量生产。这处于上世纪80年代日本东丽公司在碳纤维研发方面的水平。同时由于T300级碳纤维实现了国产化，打破了国外垄断，迫使进口价格大幅度下降。从总体形势来看，我国当前处于由T300通用级向高性能的T700和T800发展的过渡期。高性能的T700、T800和T1000级的碳纤维研制尚远。

　　芳纶

　　3.1、芳纶性能卓越，主要用于军工和高温滤料

　　芳纶是一种具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能的新型高科技合成纤维。其强度是钢丝的5-6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。

　　芳纶包括全芳香族和杂环芳族的聚酰胺纤维两大类以及细分的众多品种。其中，最具实用价值的品种有3个：芳纶1313是开发最早、产量最大、应用最广，也是最有发展前途的有机耐高温纤维；芳纶1414具有高强度、高模量的特点，素有高分子材料中的“百变金刚”之誉，是当今世界高性能纤维材料的代表；日本帝人公司和俄罗斯开发出的“共聚芳纶”则具有更高的力学性能。

　　芳纶1414在开发初期曾被誉为“完美的纤维”，是目前总产能和产量最大的有机高性能纤维。它主要用于防弹和防护领域、代石棉和橡胶增强材料；其缺点是抗燃性不足，极限氧指数(LOI)仅为26，需要与其他难燃纤维混纺加以改进。芳纶由于质量轻而强度高，在航空航天领域可节省大量的动力燃料，据国外资料显示，在宇宙飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重量，意味着降低100万美元的成本。轮胎业也开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少滚动阻力。

　　芳纶1313(间位芳纶)则在高温过滤等工业领域和阻燃内饰及织物等民用领域发挥着重要的作用。

　　3.2、全球芳纶需求旺盛，国内消费潜力巨大

　　2011年，世界芳纶年需求量约8万吨。其应用范围主要为：防弹衣、头盔等约占7%-8%，航空航天材料、体育用材料约占40%，轮胎骨架材料、传送带材料等约占20%，高强绳索等约占13%。而在我国，则更多地应用在橡胶增强、复合材料等领域，总占比超过了70%。未来我国芳纶的消费结构将会随着成本和价格压力的释放得到调整和市场扩容。

　　国内对位芳纶的应用市场主要在国防航空等高端领域。目前在我国，对位芳纶由于更高的强度和模量，较多应用在光纤增强材料、军事国防、摩擦材料以及航天航空等高端领域。

　　国内对位芳纶在防弹领域的应用将随其国产化进程而被极大的激发。国际上7%-8%的芳纶用于防弹衣及防弹头盔，国内却非常少，未来随着芳纶国产化，警察和军队将有能力装备高性能防弹衣，对位芳纶的需求将极大地被激发出来。现在美国防弹衣用对位芳纶14000吨，而我国还不足500吨，仅占美国用量的3.5%。如果我们要达到美国同等水平，即每百万军队年需求5300吨，按我国现役军人300万计算，预计每年需消耗对位芳纶16000吨。